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全面解析磁性传感器及其应用

来源：华芯霍尔元件浏览：0 发布日期：2021-09-06 10:35:25【大中小】

磁性传感器具有非接触测量、高可靠、坚固耐用、测量灵敏度高等基本特点。磁场能够穿透许多非金属物质材料，无须直接接触目标物体就可触发交换过程。通过使用磁性导体（比如铁），磁场即可被传导到较远的距离，信号就能从温度较高的区域传送出去。人们把磁场、电流、应力应变、温度、光等引起敏感元件磁性能的变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的器件叫做磁性传感器。它们不但用于检测磁场的大小和方向，而且还和永磁体等组合，用于位置、速度、角度、温度、电流等各种非磁学量的非接触检测。

从应用原理上，磁性传感器的种类主要有：

在工业用途中：在工业应用领域，最流行的磁性传感器类型是电流传感器，包括分流电阻器、霍尔效应集成电路、电流感应变压器、开环与闭环霍尔器件以及磁通门传感器。电机在无刷电动机中，用磁性传感器来作转子磁极位置传感和定子电枢电流换向器，许多磁性传感器，霍尔器件、威根德器件、磁阻器件等都可以使用，但当前大量使用的，主要还是霍尔器件。另外磁性传感器还可以对电机进行过载保护及转矩检测；交流变频器用于电机调速，节能效果极好。由于磁编码器的使用显示出越来越多的优点，因此正在逐渐取代光编码器来对电机的转速进行检测和控制。

在电力电子技术中：电力电子技术是电力技术和电子技术的结合，可实现交直流电流的相互变换，并可在所需的范围内实现电流、电压和频率的自由调节。采用这些技术和产品，可做成各种特殊电源（如开关电源、弧焊机逆变电源等）和交流变频器等产品。这些变频装置的核心，是大功率半导体器件。以磁性传感器为基础的各种电流传感器被用来监测控制和保护这些大功率器件。霍尔电流传感器响应速度快，且依靠磁场和被控电路耦合，不接入主电路，因而功耗低，抗过载能力强，线性好，可靠性高，既可作为大功率器件的过流保护驱动器，又可作为反馈器件，成为自控环路的一个控制环节。

在能源管理中：电网的自动检测系统需采集大量的数据，经计算机处理之后，对电网的运行状况实施监控，并进行负载的分配调节和安全保护。自动监控系统的各个控制环节，都可用以磁性传感器为基础的电流传感器、互感器等来实现。霍尔电流传感器早已在电网系统中得到应用。用霍尔器件作成的电度表也已从研制转向实用化，它们可自动计费并可显示功率因数，以便随时进行调整，保证高效用电。

在磁信息记录装置中：磁信息记录装置除磁带、磁盘等之外，还有磁卡、磁墨水记录帐册、钞票的磁记录等，对磁信息存储和读出传感器有巨大需求。目前，感应磁头，薄膜磁阻磁头，非晶磁头等都获得了大量的使用。随着记录密度的提高，需要更高灵敏度和空间分辨力的磁头。以多层金属薄膜为基础的巨磁阻磁头、用非晶合金丝制作的非晶合金磁头、巨磁阻抗磁头等正展开激烈的竞争。

在交通控制中：交通事故和交通堵塞是城市中和城市间交通存在的一个大问题。目前，国内外都在加强行车支持道路系统、智能运输系统和道路交通信息系统等的开发与建设。在这些新系统中，高灵敏度、高速响应微型磁传感器大有用武之地。例如，用分辨率可达1nT的GMI和SI传感器，可构成ITS感器、汽车通过记录仪、停车场成批车辆传感器、加速度传感器等。

在汽车工业应用中：汽车中主要用于车速、倾角、角度、距离、接近、位置等参数检测以及导航、定位等方面的应用，比如车速测量、踏板位置、变速箱位置、电机旋转、助力扭矩测量、曲轴位置、倾角测量、电子导航、防抱死检测、泊车定位、安全气囊与太阳能板中的缺陷检测、座椅位置记忆、改善导航系统的航向分辨率。在节能降耗中，尤其是在制造商目前面临减少点滴碳排放或其它污染物压力的时候，这方面的一个重点领域是马达，马达正在从存在摩擦力的“一刻不停”的滑轮系统向电子马达转变，后者可以按需控制。与此同时，电子马达向效率更高和更加可靠的有刷ＤＣ马达转变，而磁性传感器的应用能够让马达控制或换向更加精确。

在医疗应用中：磁性传感器在医疗领域中的应用，尽管规模要小于工业领域，但却能够在各种场合以各种方式辅助病人护理和监控：救护车，医院和家庭护理等。无论是在手术过程中，重症监护室，还是在家庭护理方面，都提供了有效的方式以控制运动、气流、探测血压以及用药等挽救生命或者提高生命质量。它主要用于换向传感器的医疗设备之中的电机控制，比如呼吸机、输液、胰岛素和肾脏透析机等方面的应用。

在消费电子中：随着消费电子在全球的风靡，磁性传感器在消费电子中的应用表现也十分强劲。例如手机、笔记本电脑、电子罗盘等中都有着非常广泛的应用。MEMS传感器与磁传感器在应用中互相促进，这对于推动磁性传感器在消费电子市场的逐步增长起着一定贡献。虽然磁阻传感器发展历程已经很漫长，技术相对成熟，但仅作为电子罗盘的单独应用，在以前并不被人们很看好，而现在它与MEMS的结合，会在导航市场成为一个亮点。由于MEMS和磁阻传感器在功能上可以互相补充，它们的结合使导航产品更加精准。如果把陀螺仪、加速度和磁传感器三种传感器集成在一起，三者在功能上互相辅助，则构成了功能更强大的惯性导航产品。

在航天军工中：高灵敏度和低磁场的传感器可以用在航空、航天及卫星通信技术上。大家知道，在军事工业中随着吸波技术的发展，军事物件可以通过覆盖一层吸波材料而隐蔽，但是它们无论如何都会产生磁场，因此通过ＧＭＲ磁场传感器可以把隐蔽的物体找出来。ＧＭＲ磁场传感器可以应用在卫星上，用来探测地球表面上的物体和底下的矿藏分布。电子罗盘在武器／导弹导航，航海和航空的高性能导航设备中功不可没。

在环保节能中：环境保护的前提是对各个环境参数的监测，这里需要使用多种大量的传感器。采用强磁致伸缩非晶磁弹微型磁传感器和感应式磁传感器，可以同时测量真空或密闭空间的温度和气压，而且不用接插件，可以遥测和远距离访问。

在工业应用中：在其它工业应用方面，磁性传感器可用于电脑服务器等机器的不间断电源、焊接系统。在大型变频电机等电流较高的应用中，开环与闭环霍尔传感器在一个小型封装中使用霍尔效应IC；也可以提高集成度，在封装中包含一个专用集成电路。霍尔IC同样用于工业洗衣机变频器控制应用之中。除了电流传感器，独立霍尔效应ＩＣ或磁阻传感器开关也存在规模一定的市场，这些器件用于电机整流，以降低纹波和改善性能，或者用于位置测量等。

磁性传感器的发展方向

高灵敏度：被检测信号的强度越来越弱，这就需要磁性传感器灵敏度得到极大地提高。应用方面包括电流传感器、角度传感器、齿轮传感器、太空环境测量。
温度稳定性：更多的应用领域要求磁性传感器的工作环境越来越严酷，这就要求磁性传感器必须具有很好的温度稳定性，应用领域主要是汽车电子行业。
抗干扰性：传感器及仪器仪表在现场运行所受到的干扰多种多样，例如：静电感应、电磁感应、漏电流感应、射频干扰等，这就要求磁性传感器本身具有很好的抗干扰性。应用领域主要是汽车电子、水表等等。
多功能化、集成化、智能化：多功能化不仅可以降低生产成本，减小体积，而且可以有效的提高传感器的稳定性、可靠性等性能指标。传感器与微处理机相结合，使之不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断、以及思维等人工智能，就称之为传感器的智能化。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点。要想做到多功能化、集成化、智能化，这就需要芯片级的集成，模块级集成，产品级集成。已实现集成化的磁传感器很多，如电子自旋共振电流传感器等。
高频特性：随着应用领域的扩大，要求磁性传感器的工作频率越来越高，应用领域主要是水表、汽车电子行业、信息记录行业。
低功耗：很多领域要求磁性传感器本身的功耗极低，得以延长磁性传感器的使用寿命。应用领域主要是植入身体内磁性生物芯片，指南针等。

新型磁性传感器的技术发展趋势

新型磁性传感器大致方向包括：采用新原理、填补空白、仿生、集成化、多功能化、智能化等。
采用标准CMOS大规模制造工艺制备磁数模混合信号处理电路，从而有效降低生产成本。
优化芯片设计，有效降低芯片功耗和芯片尺寸，使ＭＥＭＳ磁性传感器的降低工作电流２０％，使其适用于各类低功耗要求的手持式设备。
开发设计与MEMS磁性传感器相匹配的嵌入软件，采用软件自动校准传感器，同时可以动态地补偿磁干扰引起的误差，能够更有效为用户提供精确与便捷的应用解决方案。
开发出磁性传感器的新型校准算法，实现自动校准传感器，动态补偿磁干扰引起的误差。

磁性传感器的发展前景

磁性传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。如果没有传感器对原始数据进行精确可靠测量，无论是信号转换、信息处理及数据的显示与控制，都将无从谈起。没有精确可靠的传感器，就没有自动检测和控制系统。由此可见，磁性传感器起着巨大的作用。
在新兴产业复杂的应用系统中，要求磁性传感器体积小、重量轻、功能强、接口方便等，给磁性传感器提出了许多极高的要求。要完全达到这些要求，磁传感器的微型化、集成化、系统化和智能化就不可避免。正在实现集成化的磁传感器很多，如感应微位移传感器、磁通门磁强计、核磁共振磁强计。
同霍尔集成电路以及ＡＭＲ集成电路不同的是这些磁传感器要集成一个个微系统，其中有线圈、磁芯、磁共振样品等。还有接口和讯号处理电路。
人们调动了各种技术手段，包括半导体单片集成技术、混合集成技术、表面贴装、微机械加工、电子电路、薄膜的生成和处理等，制成了一个个性能优异的微磁传感器系统。